一種四軸立體雕刻機旋轉(zhuǎn)軸同步性問題的探討與解決

南京增材制造研究院發(fā)展有限公司|王闖道

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一種四軸立體雕刻機旋轉(zhuǎn)軸同步性問題的探討與解決

四軸立體雕刻機主要應(yīng)用于圓柱形木材的花紋雕刻。由計算機，控制器和主機三部分組成。雕刻機上的雕刻頭，通過按加工材質(zhì)配置的刀具，對固定于主機旋轉(zhuǎn)軸上的加工件進(jìn)行切削，即可雕刻出各種立體浮雕圖形及文字。本文結(jié)合VC0212X4四軸數(shù)控立體雕刻機的結(jié)構(gòu)特點，對四個旋轉(zhuǎn)軸不同步的原因進(jìn)行分析，提出了齒輪齒條的結(jié)構(gòu)以及對質(zhì)量控制的方法。數(shù)控雕刻機；齒輪齒條傳動；四軸同步控制

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VC0212X4數(shù)控木工雕刻機是一種四軸三維立體雕刻機，適用于樓梯扶手，花形立柱等木材的加工,具有加工效率高，裝夾便捷，適用范圍廣等特點，最大可以加工直徑200mm,長度1200mm的工件。該機床的四軸結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1原雕刻機的結(jié)構(gòu)特點和存在的問題

最初設(shè)計的該型號雕刻機是通過四個步進(jìn)電機各自帶動傳動比為1:3的同步帶結(jié)構(gòu)，從而實現(xiàn)控制四個旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的動作。該結(jié)構(gòu)中4個步進(jìn)電機各自獨立控制4個軸運動，步進(jìn)電機的運動由數(shù)控系統(tǒng)控制。但是在實際加工中經(jīng)常會遇到客戶反映四個旋轉(zhuǎn)軸不同步的問題，具體表現(xiàn)在加工的零件花紋深淺不一，圓周結(jié)合處有隔擋等情況。根據(jù)客戶反映的情況結(jié)合現(xiàn)場調(diào)試人員和工程師的分析，大致可以從以下幾個方面來說明四個軸產(chǎn)生不同步的原因：

1.1步進(jìn)電機本身存在的誤差。由于考慮成本的原因，該機床所配的電機比

較低端，從數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出信號到步進(jìn)電機動作的過程中，由于電機自身的誤差，無法保證四臺電機的啟動速度、轉(zhuǎn)動角度，轉(zhuǎn)動慣量都同步，這是產(chǎn)生四個旋轉(zhuǎn)軸不同步的首要原因。

1.2同步帶結(jié)構(gòu)的誤差。電機與主動帶輪連為一體，電機動作時帶動同步帶

并通過同步帶帶動與從動帶輪連為一體的旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)。由于帶輪和同步帶加工的誤差，在傳動的過程中無法保證傳動比和理論上完全一致。此外在機床進(jìn)行加工的過程中，電機需要不斷的變換正反轉(zhuǎn)的動作，由于同步帶與帶輪之間的間隙導(dǎo)致了動作的滯后性，并產(chǎn)生反向間隙。這是產(chǎn)生四個旋轉(zhuǎn)軸不同步的主要原因。

1.3機床裝配過程中產(chǎn)生的誤差。由于裝配工人的水平有高低、裝配方式各

有不同、配套零部件的誤差等原因都會導(dǎo)致機床的精度降低，就有可能無法保證四個軸的同步性。

1.4加工件裝夾的誤差。VC0212X4四軸數(shù)控雕刻機加工的對象是柱形木材

裝夾時木材的一端抵住旋轉(zhuǎn)軸的頂尖，另外一端用尾架頂住。木材材質(zhì)較軟，加工變形大，裝夾時產(chǎn)生的誤差也比較大。

圖1

2旋轉(zhuǎn)軸技術(shù)問題的探討與解決方案

綜上所述，為解決VC0212X4四軸數(shù)控雕刻機旋轉(zhuǎn)軸不同步的問題，我們需要從前面分析的幾個方面來考慮解決方案，具體如下：

2.1重新設(shè)計旋轉(zhuǎn)軸的機械結(jié)構(gòu)。利用齒輪齒條結(jié)構(gòu)代替四個電機通過同步

帶帶動旋轉(zhuǎn)軸的結(jié)構(gòu)，新的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

新設(shè)計的結(jié)構(gòu)只需要一個步進(jìn)電機，步進(jìn)電機通過同步帶結(jié)構(gòu)帶動主動旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，主動旋轉(zhuǎn)軸上的齒輪和齒條嚙合，齒條安裝在線性導(dǎo)軌上，齒條左右運動，從而帶動其余三個從動旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)。在新的結(jié)構(gòu)中，電機和同步帶結(jié)構(gòu)從原來的四套減少到一套，這就避免了因為電機和同步帶結(jié)構(gòu)帶來的同步性不一致問題。同時我們根據(jù)市場導(dǎo)向，結(jié)合國內(nèi)國外市場的特點，選擇合適的電機，控制電機自身的精度，同步帶和同步帶輪也選用國內(nèi)知名廠家的產(chǎn)品，線性導(dǎo)軌選用臺灣知名品牌，齒輪齒條選用進(jìn)口高精度的產(chǎn)品。這些措施從根本上改善了機床的精度，保證了四個旋轉(zhuǎn)軸的同步性。

在設(shè)計的過程中綜合考慮了各種傳動機構(gòu)，選定了齒輪齒條和渦輪蝸桿兩種傳動機構(gòu)，針對該雕刻機的加工特點和精度要求，在查閱專利文件同時分析比較了兩者的優(yōu)缺點后選擇了齒輪齒條的傳動結(jié)構(gòu)。

渦輪蝸桿機構(gòu)特點：傳動比大，結(jié)構(gòu)緊湊，工作平穩(wěn)，沖擊小，無噪音；蝸桿傳動具有自鎖性；渦輪蝸桿齒面滑動速度大，摩擦與磨損嚴(yán)重，傳動效率低。發(fā)熱量大，齒面容易磨損，成本高，為了散熱和減小磨損，常需貴重的抗磨材料和良好的潤滑裝置，成本較高；蝸桿的軸向力較大。

齒輪齒條機構(gòu)特點：承載力大，傳動速度高，齒條可以長距離安裝并且高速運轉(zhuǎn)，齒條齒輪傳動結(jié)構(gòu)簡單。加工安裝精度差，傳動噪音大，磨損大。

2.2提高裝配質(zhì)量的控制，制定嚴(yán)格的裝配工藝文件，明確裝配工藝要求，關(guān)鍵部件的裝配選用熟練工人進(jìn)行操作，嚴(yán)格檢驗裝配精度。

2.3針對裝夾工件產(chǎn)生的誤差，我們在每個旋轉(zhuǎn)軸的頂尖外圍增加了三個小頂尖，從而增加木材與旋轉(zhuǎn)軸的接觸面積，盡量減少裝夾誤差。

通過一系列的技術(shù)改進(jìn)和質(zhì)量控制，VC0212X4四軸數(shù)控雕刻機旋轉(zhuǎn)軸同步性問題得到了很好的解決，產(chǎn)品質(zhì)量有了很大的提高。

圖2

3結(jié)語

針對VC0212X4四軸數(shù)控雕刻機加工中存在的問題，從機械結(jié)構(gòu)設(shè)計，裝配工藝要求，工裝夾具等方面入手，綜合考慮了各方面的影響因素，比較分析了齒輪齒條和蝸輪蝸桿傳動的優(yōu)缺點，同時查閱相關(guān)專利文件的技術(shù)說明和權(quán)力要求，提出了合理的解決方案，解決了實際生產(chǎn)中的問題。

通過這款機器的技術(shù)改進(jìn)，帶動了其他各類機器的質(zhì)量整頓和技術(shù)改進(jìn)，提高了管理水平，產(chǎn)品質(zhì)量有了很大的提高，生產(chǎn)的產(chǎn)品獲得了國內(nèi)外客戶的好評。

參考文獻(xiàn)：

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